火星车车轮仿生优化及耐久性试验研究

发布时间：2020-07-19 18:23

【摘要】：火星表面除了覆盖有松散的火星土壤外,遍布裸露的砾石和石块,这对金属材质火星车车轮的耐久性提出严峻的考验。因此,在约束质量、结构和材料的前提下,对火星车车轮轮面及结构进行优化,从而提高其耐久性对巡视探测至关重要。本文的主要研究内容如下:仿生原型的选择及仿生轮面的设计。本文选取了自然界中具有优良耐磨特性的四种生物(蜣螂、栉孔扇贝瓣、蛤蜊瓣和穿山甲鳞片)作为仿生原型,将其表面的凹坑形、棱纹形、凸包形和鳞片形结构应用到火星车车轮的优化设计中。仿生轮面的耐久性试验研究。建立了耐久性试验台,研究四种仿生轮面的耐磨损特性。试验共分三步进行,结果表明,在相同的试验条件下,与原型轮相比,凹坑形和棱纹形不具有耐磨特性。在磨料为石英砂时,与原型轮相比,凸包形具有最优的耐磨及减阻特性,单位时间内的磨损量和能耗分别降低了46%和16%;在磨料中增加石块后,与原型轮相比,凸包形和鳞片形单位时间内的磨损量分别降低了60%和67.5%,能耗略微降低。仿生轮面的离散元分析。为了优化仿生结构,寻求最佳仿生单元形式,建立了车轮-火壤耐久性离散元仿真模型,进行了离散元3D仿真分析。结果表明:凸包形及鳞片形轮面相较于原型轮,在质量增加5.4%和17%的条件下,轮面切向累积力分别降低了70%和40%,耐久性提高显著。凹坑形和棱纹形轮面相较于原型轮,轮面切向累积力平均增加了50%以上,没有达到预期效果。鳞片形结构的正交优化。考虑到鳞片形结构的整体性,只改变鳞片的比例和高度作为优化的因素。设计了九种鳞片形结构形式,最终通过切向累积力对比和云图分析,得出当鳞片比例为原结构的1.4倍、高度为1mm时具有最优的耐久性。耐久性试验和仿真分析共同表明:在约束质量条件下,通过仿生优化车轮轮面可提高车轮的耐久性,离散元仿真分析可为仿生结构优化提供技术参考。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V476.4;Q811
【图文】：

车轮,轮面

吉林大学硕士学位论文（The ModularEquipment Transporter）[9]，该车由宇航员人力驱动，用于运输设备和月岩月壤试样[10]。火星车的耐磨问题主要表现在好奇号的车轮上，如图 1.1（a）为磨损前的好奇号车轮结构：车轮直径为 510mm（20in，带轮刺），轮刺高度 7.5mm，沿轮面每隔 15°分布 1 个轮刺，且轮刺呈 V 字形，以防止侧滑；车轮宽度为400mm；轮面厚度为 0.75mm，材料为阳极电镀铝。好奇号之所以采用如此薄的轮面结构，原因之一是为了使得车轮具有弹性，从而降低车轮通过石块和不平路面的振动。较薄的轮面和弹性的轮辐使得好奇号车轮具有优良的弹性缓冲性能。但较薄的轮面会不可避免的导致其耐磨和抗穿透性能减低，从而减少使用寿命。图 1.1（b）为截止到 2016.04.16 日，磨损的好奇号左前轮情况，轮面具有较大的破洞，并且在轮面上存在由石块撞击而产生的凹坑，这些凹坑将增大车轮被穿透、破裂甚至损坏的可能。

车轮,车辆,美国,筛网

(a) 载人 LRV (b) 金属丝编织轮 (c) MET 图 1.6 美国月面巡视车辆及其车轮Lunokhod-1 是第一台成功登陆月球的无人探测车，车轮采用网钛合金辐条和倾斜履刺结构，如图 1.7（a）[11]。该车轮适合于在沙运动，辐条和弹性筛网能起到一定的吸震功能，但是吸收振动的能力我国的玉兔号月球车，如图 1.8（b）所示，采用的是与苏联类筛网轮结构，如图 1.9（c）。筛网轮的优点在于质量轻，并且筛网附着月壤的清除，并且轮刺结构可以增大牵引力，缺点在于强度低载荷时结构容易发生断裂或者变形，可靠度较差。（a）筛网轮（b）玉兔号月球车（c）筛网轮图 1.10无人月球车及筛网轮

月球车,筛网

LRV (b) 金属丝编织轮 (c) MET (d)图 1.6 美国月面巡视车辆及其车轮nokhod-1 是第一台成功登陆月球的无人探测车，车轮采用网状钢辐条和倾斜履刺结构，如图 1.7（a）[11]。该车轮适合于在沙土表辐条和弹性筛网能起到一定的吸震功能，但是吸收振动的能力弱国的玉兔号月球车，如图 1.8（b）所示，采用的是与苏联类似的结构，如图 1.9（c）。筛网轮的优点在于质量轻，并且筛网结构壤的清除，并且轮刺结构可以增大牵引力，缺点在于强度低，受结构容易发生断裂或者变形，可靠度较差。

【参考文献】